11

双曲線関数入りの級数を計算する

440
0

n=1n4sinh2πn=π80Γ(34)8

こんな級数が知られているんですが、より一般的に
n=1n2ssinh2rπn
の形の級数をガンマ関数で書く方法を見つけた(と言っても既知の結果ですが)ので、書きます。特殊値も幾つか計算したので最後に掲載しておきます。
最終的に重要となるのは正規化されたアイゼンシュタイン級数

正規化されたアイゼンシュタイン級数

kを正整数とするとき
E2k(τ)=1+2ζ(12k)n=1n2k1e2πiτ1

とその微分です。では計算方法を説明します。

解説

kを正整数として、以下の変形を考えます。
d2dx21sinh2kx2=kddxcoshx2sinh2k+1x2=k21sinh2x2+k(2k+1)2cosh2x2sinh2k+2x2=k21sinh2kx2+k(2k+1)21sinh2(k+1)x2
これを繰り返し適用することで、rを正整数とするとき、定数ar,1,...,ar,rを用いて
d2(r1)dx2(r1)14sinh2x2=k=1rar,k1sinh2kx2
と表せることが分かります。例えば
d2dx214sinh2x2=141sinh2x2+381sinh4x2
となります。
以下x>0とします。
n=1enx=1ex1
の両辺をxで微分して
n=1ne2nx=14sinh2x2
を得ます。さらに両辺を2(r1)回微分して
n=1n2r1enx=k=1rar,k1sinh2kx2
となります。ここで、
Tr(x):=n=1n2r1enx
とおきます。Trcsch2kx2の線形結合で書くことができたので、今度はcsch2rx2Tkの線形結合で書くことを考えます。そのために以下の行列を定義します。
A=[a1,1Oar,1ar,r]S=[1sinh2x21sinh2rx2],T=[T1Tr]
上記よりT=ASです。またak,k0ですから|A|0となりAは正則です。従って
C=[001]A1=[c1cr]
とすれば
CT=[001]A1AS=[001]S=1sinh2rx2
となり、
1sinh2rx2=k=1rckn=1n2k1enxn=1n2ssinh2rnx2=k=1rckn,m=1n2k1m2senmx=k=1rck(ddx)min(2k1,2s)n,m=1n|2k2s1|enmx=k=1rck(ddx)min(2k1,2s)n=1n|2k2s1|enx1=k=1rckζ(12|2k2s1|)2(ddx)min(2k1,2s)E|2k2s1|+1(ix2π)
最後の微分はこちらの記事の内容により
E2,E4,E6で書けます。ここでx=2πとすれば
n=1n2ssinh2rπn

E2(i)=3π,E4(i)=3π24Γ(34)8,E6(i)=0
で書けることになります。アイゼンシュタイン級数の特殊値の求め方について補足すると、E2E6の特殊値についてはモジュラー関係式
E2(1τ)=τ2E2(τ)6τiπE6(1τ)=τ6E6(τ)
においてτ=iとすれば求まり、E4については
この記事で証明されている
η(τ)24=E4(τ)3E6(τ)21728
においてτ=iとし、この記事で解説したイータ関数の特殊値
η(i)=π42Γ(34)
を用いて求まります。

発展(Help!)

実は、途中出てきたar,kの明示式
ar,k=(2k1)!22k1=n0n1nrkkn02nrk2
を得たんですが、使い道が見つからず困っています。うまく多重ゼータ値の話を持ち込めたりしないかな、という気持ちもあるので、何か知っている方は是非教えてください~

特殊値鑑賞会

プログラムを使って特殊値を大量に計算してみました。以下では定数r
r=π44Γ(34)8
として使います。
n=11sinh2πn=1612π1n=1n2sinh2πn=18π2+124π2rn=1n4sinh2πn=120π3rn=1n6sinh2πn=128π4r2n=1n8sinh2πn=320π5r2n=1n10sinh2πn=944π6r3n=1n12sinh2πn=567260π7r3n=1n14sinh2πn=818π6r2+38π6r3
n=11sinh4πn=1190+13π1+130π2rn=1n2sinh4πn=112π2136π2r124π3+124π3rn=1n4sinh4πn=130π3r132π4+116π4r+196π4r2n=1n6sinh4πn=142π4r2+116π5r+116π5r2n=1n8sinh4πn=110π5r2+14π6r2+172π6r3n=1n10sinh4πn=322π6r3+916π7r2+516π7r3n=1n12sinh4πn=189130π7r3+278π8r3+14π8r4n=1n14sinh4πn=274π6r214π6r3+132380π9r3+17116π9r4
n=11sinh6πn=1911890415π1130π2rn=1n2sinh6πn=115π2+145π2r+124π3124π3r+1120π4r+1360π4r2n=1n4sinh6πn=275π3r+132π4116π4r196π4r21160π5+148π5r+196π5r2n=1n6sinh6πn=2105π4r2116π5r116π5r21128π6+5128π6r+5128π6r2+11920π6r3n=1n8sinh6πn=225π5r214π6r2172π6r3+7160π7r+748π7r2+196π7r3n=1n10sinh6πn=655π6r3916π7r2516π7r3+1532π8r2+532π8r3+1240π8r4n=1n12sinh6πn=378325π7r3278π8r314π8r4+297320π9r2+5532π9r3+1364π9r4n=1n14sinh6πn=275π6r2+15π6r3132380π9r317116π9r4+81964π10r3+9116π10r4+107960π10r5
n=11sinh8πn=249728350+835π1+7225π2r+11050π4r2n=1n2sinh8πn=235π22105π2r7180π3+7180π3r190π4r1270π4r2+1630π5r2n=1n4sinh8πn=4175π3r7240π4+7120π4r+7720π4r2+1120π5136π5r172π5r2+1480π6r+1240π6r2+110080π6r3n=1n6sinh8πn=4245π4r2+7120π5r+7120π5r2+196π6596π6r596π6r211440π6r31896π7+1128π7r+5384π7r2+11920π7r3n=1n8sinh8πn=12175π5r2+730π6r2+7540π6r37120π7r736π7r2172π7r31512π8+7384π8r+35768π8r2+71920π8r3+13161280π8r4n=1n10sinh8πn=36385π6r3+2140π7r2+724π7r358π8r2524π8r31180π8r4+3128π9r+21128π9r2+5128π9r3+1384π9r4n=1n12sinh8πn=324325π7r3+6320π8r3+730π8r49980π9r25524π9r31348π9r4+3364π10r2+55128π10r3+11160π10r4+11920π10r5n=1n14sinh8πn=16235π6r2635π6r3+3087200π9r3+39940π9r427316π10r39112π10r4107720π10r5+12871280π11r2+1001256π11r3+1183768π11r4+2173840π11r5
n=11sinh10πn=1479718711064315π1822835π2r1630π4r2n=1n2sinh10πn=16315π2+16945π2r+411134π3411134π3r+131080π4r+133240π4r21378π5r2+14200π6r2+122680π6r3n=1n4sinh10πn=321575π3r+411512π441756π4r414536π4r2131440π5+13432π5r+13864π5r21288π6r1144π6r216048π6r3+11260π7r2+17560π7r3n=1n6sinh10πn=322205π4r241756π5r41756π5r2131152π6+651152π6r+651152π6r2+1317280π6r3+52688π75384π7r251152π7r211152π7r3+11920π8r+1384π8r2+12688π8r3+1120960π8r4n=1n8sinh10πn=32525π5r241189π6r2413402π6r3+911440π7r+91432π7r2+13864π7r3+51536π8351152π8r1752304π8r271152π8r31396768π8r414608π9+1384π9r+7768π9r2+75760π9r3+13161280π9r4n=1n10sinh10πn=32385π6r34184π7r2205756π7r3+6596π8r2+65288π8r3+132160π8r45128π9r35128π9r225384π9r351152π9r412048π10+152048π10r+351024π10r2+71024π10r3+1314336π10r4+1645120π10r5n=1n12sinh10πn=288325π7r34114π8r341189π8r4+429320π9r2+715288π9r3+169576π9r45564π10r2275384π10r31196π10r411152π10r5+111024π11r+33256π11r2+33512π11r3+11768π11r4+19107520π11r5n=1n14sinh10πn=14435π6r2+16105π6r328720π9r377984π9r4+118364π10r3+1183144π10r4+13918640π10r5429256π11r25005768π11r359152304π11r42172304π11r5+4291024π12r2+10011536π12r3+10013840π12r4+917680π12r5+29322560π12r6
n=11sinh12πn=924271571277025750+128693π1+191670875π2r+3115750π4r2+153625π6r3n=1n2sinh12πn=32693π2322079π2r47914175π3+47914175π3r13911340π4r13934020π4r2+319450π5r212100π6r2111340π6r3+134650π7r3n=1n4sinh12πn=643465π3r47918900π4+4799450π4r+47956700π4r2+13915120π51394536π5r1399072π5r2+317200π6r+313600π6r2+31151200π6r31630π7r213780π7r3+116800π8r2+115120π8r3+134989600π8r4n=1n6sinh12πn=644851π4r2+4799450π5r+4799450π5r2+13912096π669512096π6r69512096π6r2139181440π6r33113440π7+311920π7r+311152π7r2+3128800π7r31960π8r1192π8r211344π8r3160480π8r4+13360π9r2+16048π9r3+175600π9r4n=1n8sinh12πn=641155π5r2+9584725π6r2+47942525π6r31392160π7r139648π7r21399072π7r3317680π8+2175760π8r+2172304π8r2+21728800π8r3+4032419200π8r4+12304π91192π9r7384π9r272880π9r31380640π9r4+17680π10r+75760π10r2+12304π10r3+117280π10r4+1979833600π10r5n=1n10sinh12πn=64847π6r3+4791050π7r2+4791890π7r36951008π8r26953024π8r313922680π8r4+31640π9r+217640π9r2+31384π9r3+315760π9r4+11024π10151024π10r35512π10r27512π10r3137168π10r41322560π10r5122528π11+56144π11r+51024π11r2+75120π11r3+1343008π11r4+1645120π11r5n=1n12sinh12πn=576715π7r3+479175π8r3+9584725π8r415291120π9r276453024π9r318076048π9r4+341320π10r2+341384π10r3+3412400π10r4+3128800π10r511512π11r33128π11r233256π11r311384π11r41953760π11r518192π12+114096π12r+1658192π12r2+7710240π12r3+14357344π12r4+11430080π12r5+149425779200π12r6n=1n14sinh12πn=28877π6r232231π6r3+3353250π9r3+91011050π9r4180796π10r31807216π10r41487390720π10r5+132996400π11r2+310313840π11r3+3667311520π11r4+672757600π11r5429512π12r21001768π12r310011920π12r4913840π12r529161280π12r6+9120480π13r+100112288π13r2+1432048π13r3+100130720π13r4+247184320π13r5+31921600π13r6
n=11sinh14πn=8113594822600175120861989803434770237913005370605513954155373592348π188705203182970934885388433980870π2r48984745777069152232664859774775800π4r216918258159687557156220410234260000π5r2399145572137812591732205596672260000π6r3n=1n2sinh14πn=7137390161118165167449864483108200π2+2379130053706055167449864483108200π2r+7983468286467381251174796724662270π3266115609548912783724932241554100π3r+6119155541604943502349593449324540π4r+81588740554732572009398373797298200π4r29542482943584926096082776588290π5r2+29768864796997014465329719549551600π6r2+3608347248120852922761270977888000π6r3577335559699335985734330615351400000π7r3+2664625660150781571562204102342600000π8r3+19286814302043751.9204490057838714e+21π8r4n=1n4sinh14πn=7137390161118165418624661207770500π3r+74845015185631731396849590582784π47983468286467381167449864483108200π4r2661156095489127334899728966216400π4r2782278407307458562777161068032π5+8741650773721347287056910542471170π5r+8741650773721347574113821084942340π5r2657536715331397137004434577088510π6r68884798749003571764227635617790π6r295424829435849417537324425412600π6r3+89306594390991034018796747594596400π7r2+29768864796997018037593495189193000π7r3742288576756289153444777526452810000π8r26201846832707714018796747594596400π8r32599259662715625427558220211622500000π8r4+77120891091562553444777526452810000π9r3+8568987899062526722388763226407000π9r4n=1n6sinh14πn=1427478032223633117214905138175740π4r274845015185631715698424795291392π5r7983468286467381167449864483108200π5r22458589280109129215292682906853380π6+179272135007957331396849590582784π6r+179272135007957331396849590582784π6r2+61191555416049438037593495189193000π6r3+29060774472235851130286585260980200π735225181178467719572062082441216π7r5650706147379193188381097543496700π7r2688847987490035574113821084942340π7r3+29303726284543932009398373797298200π8r+45787072319599962793699181165570π8r2+13954155373592351339598915864865500π8r3+2976886479699701128601495923027080000π8r4837249322415540912056390242783790000π9r2465138512453078312056390242783790000π9r36598120682278125213779110105811260000π9r4+3181236757526953213779110105811260000π10r2+5980352302968149144676682913405470000π10r3+4177381600792969427558220211622500000π10r4+2043374037468751.71023288084649e+21π10r5n=1n8sinh14πn=5353042620838623104656165301942620π5r27484501518563173924606198822848π6r22661156095489127251174796724662270π6r3+8031391648356487125587398362331140π7r+752942967033420735321455789405630π7r2+8741650773721347574113821084942340π7r3+55479660356086631233039911193796600π88899862182122229211928734736433800π8r370827590921759535321455789405630π8r226369962021102931396849590582784π8r3597001589158030332150373980756770000π8r430906273815729935086289633674411000π9+45787072319599962793699181165570π9r+4807642593557989188381097543496700π9r2+1282038024948797376762195086993400π9r3+5182971995905732296455284339769300π9r429969720063738119864319289550373000π10r64101901247439852260573170521960400π10r233299688959709013288106429850124300π10r3355196682236896126304851438800994000π10r425709474142861054.629653853228975e+21π10r5+265103063127246126722388763226407000π11r2+5232808265097134521146341043921000π11r3+6598120682278125213779110105811260000π11r4+599829152934375855116440423245000000π11r5n=1n10sinh14πn=535304262083862376747854554757920π6r322453504555689515232808265097131π7r2374225075928158515698424795291392π7r3+576231862525577840987042604896π8r2+17927213500795737849212397645696π8r3+655623808029101107646341453426690π8r45547966035608663102753325932816380π9r889986218212222923547637192937090π9r2121086560300982713455792681678336π9r33287683576656985548017738308354050π9r423179705361797451695429877891470300π10+211024π10r+450716493146061547095274385874180π10r2+4807642593557989251174796724662270π10r3+68026507446262692679197831729731000π10r4+89306594390991032.0576239347684333e+21π10r5+842898376792634381380634138790580000π113518432π11r353072π11r264101901247439852009398373797298200π11r3824563726621366111691045083911553000π11r41860554049812313514405983692108330000π11r5+132455459210271140690317069395290000π12r+12048π12r2+784921239764569724112780485567580000π12r3+523280826509713148225560971135160000π12r4+45790529085615231.71023288084649e+21π12r5+6130122112406252.736372609354384e+22π12r6n=1n12sinh14πn=70258684398506939448126034203152π7r389814018222758043488538843398087π8r37484501518563173924606198822848π8r4+1331095602434083981151549705712π9r2+2464991856359413981151549705712π9r3+23305377551034457849212397645696π9r452445616430363134415181973675704π10r249948206124155375045922255629376π10r3372946605727026723547637192937090π10r4657536715331397548017738308354050π10r5+8499225299325731282571646315245060π11r+566615019955048715698424795291392π11r2+566615019955048731396849590582784π11r3+45787072319599911417036214757376π11r4+795386856294763916075186990378385000π11r5+434619475533702115258868901023234000π121770671937359527282571646315245060π12r332000988254911370642911578811260π12r2123947035615166970642911578811260π12r318268837448947531396849590582784π12r44796740909672378037593495189193000π12r586407029638036771.0582065950237657e+22π12r64584996664970923488283804832743500000π13+14096π13r+5524576π13r2+24283500855216372260573170521960400π13r3+429504096758929861170731627413500π13r4+1644596883316241192902243884540620000π13r5+7200585803169732.0576239347684333e+21π13r6n=1n14sinh14πn=160591278625158704651385124530783π6r2+535304262083862341862466120777050π6r3412583146210794703270505165685707π9r3426616586558100605232808265097131π9r4+5243709948982751280329014201632π10r3+3495806632655167420493521302448π10r4+191821184458514311773818596468544π10r52272643378649069981151549705712π11r21657135796931613183965915569821π11r31627788645864347458720205057216π11r47663770212383035886909298234272π11r5+17264051389255391471727324558568π12r2+651034934544311356782381711168π12r3+64452458519886798830363947351408π12r4+8333247162167181251174796724662270π12r5+3678822780310711461380635488944000π12r62471898267097931238419826578488030π13r566476686209942529802478322311004π13r2863202569462769552982183684108450π13r36510349345443118562777161068032π13r4504884234952731161469512180140030π13r5108144704145340713778731706038616000π13r6132768π14+26484624290334972861037918941856300π14r+2427757226614039238419826578488030π14r2+10961302469368517941056908904448π14r3+474989773672635125587398362331140π14r4+12179224965965125587398362331140π14r5+1727718683436331217015024370108200000π14r6+44756482949718754.3781961749670145e+23π14r7

投稿日:202257
OptHub AI Competition

この記事を高評価した人

高評価したユーザはいません

この記事に送られたバッジ

バッジはありません。
バッチを贈って投稿者を応援しよう

バッチを贈ると投稿者に現金やAmazonのギフトカードが還元されます。

投稿者

便利
便利
273
57337
引き算が苦手です

コメント

他の人のコメント

コメントはありません。
読み込み中...
読み込み中
  1. 解説
  2. 発展(Help!)
  3. 特殊値鑑賞会